Chapter 4. A TÁPANYAGMÉRLEG KÉSZÍTÉS JELENTŐSÉGE ÉS
5. A nitrogén, foszfor, kálium tápelem körforgalom és –mérleg sajátosságai–mérleg sajátosságai
A nitrogén körforgalom
A talajok nitrogénforgalma meghatározó jelentőségű a termékenység szempontjából. A termések szintjét legnagyobb mértékben a nitrogén ellátottság befolyásolja, ezért a növénytermesztés eredményességéhez a talaj nitrogén forgalmának, valamint nitrogén mérlegének kémiai és biológiai jellemzőit minél teljesebben meg kell ismernünk. A természetes N körforgalom alapvető befolyásoló tényezői: az immobilizáció-mobilizáció egyensúlyi viszonyai, valamint a nitrifikáció jellemzői.
A N tartalom a talajban
A talajok összes N tartalma általában 0,02-0,4 % között változik. Ennek 95-98 %-a a szerves kötésben (huminvegyületek, Ca-humátok), 2-5 %-a a szervetlen kötésben (NH4-N, NO3-N ill. NO2-N) található. Az ásványosodás, mineralizáció a talajok nitrogén-dinamikájának összetett folyamata, amely a szerves kötések folyamatos átalakulását eredményezi, egyszerűbb, szervetlen kötésformákká. Az ásványosodás dinamikusan változó, egyensúlyi folyamat, a nitrogén mobilizálódását jelenti. Számos tényező befolyásolja, melyek közül legfontosabbak: a talaj kémhatása (pH érték), víz- levegő arány, hőmérséklet, időjárás, rendelkezésre álló
A TÁPANYAGMÉRLEG KÉSZÍTÉS JELENTŐSÉGE ÉS
ALAPELVEI
hőmérséklet optimuma 25 és 35 oC között van. A talaj mechanikai összetétele nagymértékben nem befolyásolja az ásványosodás mértékét. Évente kb. 1-2 t/ha szervesanyag mineralizálódik, ez kb. 150 kg/ha ásványi N felszabadulását jelenti.
Kísérletekkel bizonyított tény, hogy a túl intenzív gazdálkodás, a nagyarányú kemizálás a talajlakó mikroszervezetek tevékenységét gátolja, tehát a talajéletre káros.
A legnagyobb nitrogén készlet a Föld atmoszférájának 78 %-át kitevő légköri N2 gáz, amelyet azonban a magasabbrendű növények nem tudnak közvetlenül hasznosítani.
Bevételi Oldal (= Input, bekerülés, források)
A talajba bekerülő N inputok eredete különböző: lehetnek
• természetes
• mesterséges források.
A természetes úton bekerülő N származhat elektromos kisülésekből, melyekből oxidok képződnek (NOx 3-5 kg/ha), biológiai kötésből (szabadon élő mikroszervezetek pl. Azotobacterek, sugárgombák megkötéséből, amely mintegy 10-15 kg/ha/év, kb. 175 millió tonna összesen. A pillangós növények gyökerein szimbiózisban élő Rhizobium fajok N megkötéséből 20-250 kg N/ha származik. A talaj N készletét gyarapítják az élő szervezetek elhalását követően lebomló növényi és állati maradványok.
Az ipari tevékenységből származó N kötés, a műtrágyagyártás kb. 60 millió tonna évente.
A mesterséges úton, a mezőgazdasági művelés alatt álló talajokba trágyázással bejuttatott nitrogén lehet szerves és szervetlen formában levő N. Eredete szerint a.) növényi (zöldtrágyákkal, növényi szárrészek talajba munkálásával), valamint b.) állati eredetű (istállótrágyával, hígtrágyával stb.). Régóta ismert tény, hogy a talajban a szervesanyag C:N aránya jellemzi a mineralizáció – immobilizáció egyensúlyát. Egyensúlyi állapotot tükröz, ha az arány C:N=17-33:1. Ennél tágabb aránynál az immobilizáció irányába tolódik el az egyensúly, a cellulózbontó mikroszervezetek nitrogén igénye miatt, melyet a bemunkált szármaradvány mennyiségének ismeretében kiszámított műtrágya-N adaggal lehet korrigálni.
Kiadási Oldal (=Output, elkerülés, veszteségek)
A kiadási oldal legjelentősebb tétele a növények termésével évente elvitt N: a fő- és melléktermésssel kb. 15-80 kg N/ha kerül el (mellékterméssel együttesen akár 200 kg is lehet). Az így elkerülő N mennyiségek a növényfajtól, termésmennyiség szerint eltérőek. A talaj N tartalmának csökkenése attól is függ, hogy a növényi maradványok elkerülnek vagy a táblán maradnak-e: pl. a 40 t/ha cukorrépa-terméssel 60 kg N kerül el hektáronként, ha a melléktermés növényi maradványait a táblán hagyják; ha azonban ezeket elszállítják, 200 kg/ha N mennyiséggel csökken.
Nitrogén veszteségek : kimosódás, erózió, gázalakú elillanás, fixáció az agyagásványok rétegrácsaiban, biológiai adszorpció (bakteriális), valamint a denitrifikáció
A kimosódás általi veszteség a talajokból általánosan ismert jelenség, melynek fő okai közt szerepelnek a nitrátion kémiai tulajdonságai: jól oldódó sókat képez, melyek a talajvíz mozgásával a talaj mélyebb rétegeibe mosódhatnak. A pontos mennyiségek liziméteres kísérletek segítségével állapíthatók meg (bővebben: 3 Fejezet).
A nitrát nem adszorbeálódik a talajkolloidok felületén, mivel azok is negatív töltésűek és a kationokat adszorbeálják.
A nitrogén gáz alakú veszteségeit az ammónia és az elemi nitrogén elillanása jelenti. A műtrágyák talajfelszínre történő kijuttatása bedolgozás nélkül jelentősen növeli a gázalakú veszteségeket: a karbamid kiszórásakor például 15-20 % elillanhat ammónia formájában, ha lúgos kémhatású talajra juttatják ki és nem munkálják be a talajba.
Az ammóniumionok fixációja az agyagásványok rétegrácsai közötti megkötődés, hasonlóan a káliumionok fixációjához. A növények számára ez hozzáférhetetlen formát jelent, a fixáció mértékét a talaj ammónium-ionokban való telítettsége, a kémhatás és a többi kation jelenléte befolyásolja.
A TÁPANYAGMÉRLEG KÉSZÍTÉS JELENTŐSÉGE ÉS
ALAPELVEI
A biológiai adszorpció a talajlakó mikroorganizmusok nitrogénfelvételét jelenti, amely csak időlegesen jelent veszteséget, mivel a baktériumok elhalását követően a szervezetükbe beépített nitrogén ismét felszabadul. A cellulózbontó baktériumok elszaporodásával fellépő megnövekvő nitrogénszükséglet miatt a N pótlása szükséges, mivel a talajban a C:N arány ilyenkor kedvezőtlen.
A denitrifikáció a talajban reduktív, oxigénhiányos (anaerob) körülményeknél fellépő jelenség, melyben a nitrátok először nitritté, majd ammóniává és végül elemi nitrogénné redukálódnak. A jó vízvezető képességű, savanyú kémhatású talajokban kémiai reakciók eredményeként is felléphet a denitrifikáció.
A foszforforgalom és a foszfor mérleg
A talajok összes foszfortartalma 0,02-0,2 % P2O5 közötti. A növények számára felvehető mennyiség ebből nagyon kevés, legfeljebb 3-5 %-a az összes P tartalomnak, ezért rendszeres pótlásáról gondoskodni kell. A talajoldatban található foszfor 0,02-4,0 mg/l, maximumát pH 6-nál éri el.
A foszfortartalom a talajképző kőzet tulajdonságaitól (minőségétől, mállottságától), a talajok mechanikai összetételétől és a humusztartalomtól függ. Megoszlása általában a következő: az összes mennyiség 40-60 %-a található szerves formában, humuszban gazdag talajokon pedig mintegy 60 %-a. A felvehető foszfortartalom meghatározására hazánkban általánosan alkalmazott ammóniumlaktát (AL, pH= 3,7) kivonószerrel mérhető P2O5 tartalom a talajokban általában 45-500 mg/kg között változik. Amikor vízoldható formájú P műtrágyákat juttatnak ki, az oldhatatlan vegyületekké – főként Fe-, Al- és Ca-foszfátokká – történő átalakulás gyorsan elkezdődik. A vizsgálatok szerint az első évben a növények csupán 10-35 %-át tudják felvenni a kijuttatott foszfornak, a többit csak a következő kultúrák tudják hasznosítani.
A mobilizálódó és az immobilizálódó P vegyületek kapcsolatát a talajban levő C/P arány fejezi ki. A 200-300 közti C/P arány a szerves és szervetlen P vegyületek egyensúlyát jelzi, míg a 200 alatti a szervetlen foszfor vegyületek túlsúlyát, a 300 fölötti arány pedig a szerves formák jelenlétét mutatja.
A talajok foszfor (P) mérlege Bevételi oldal (INPUT)
Természetes források: a talajokban található foszfor legjelentősebb forrásai
• foszfát tartalmú ásványok, nyersfoszfátok: primer eredetű apatitok és ezek mállástermékeiből képződő foszfát-vegyületek (Ca-, Al- és Fe-foszfátok). Ezek nem labilis vegyületek.
• a talaj-részecskéken megkötött (adszorbeált) foszfát-ionok,
• az élő és elhalt talaj-biomassza szervezeteinek P tartalma,
• az oldott állapotban levő P, szerves és szervetlen formákban.
A talajban levő foszfor oldhatósága a kémhatástól függően változik. A savas tartományban a H2PO4- ionok, a lúgosabb talaj kémhatásnál a HPO42- ionok, míg erősen lúgos körülményeknél a PO43- ionok dominálnak. Az egyensúly a H2PO4- ionok és a HPO42- ionok között pH 6,5 értéknél van. Az egyensúlyi állapot: a talajoldat P tartalma ↔ a labilis P ↔ nem labilis P mennyiségek között alakul ki.
A növények számára legnagyobb mértékben felvehető a foszfor akkor, ha a talaj pH-ja 6,0 és 7,0 közötti, de a kijuttatott P műtrágyák még így is csak gyengén hasznosulnak.
A talajok foszfortartalmának pótlása történhet műtrágyázással és szervestrágyázással (növényi és állati eredetű).
Az istállótrágyázásból származó P mennyiség tonnánként 2-3 kg P2O5, ez a szokásos 30-40 t/ha adagnál 60-120 kg P2O5/ha pótlását biztosítja.
Kiadási oldal (OUTPUT)
A termésekkel évente elvitt foszfor mennyisége 25-70 kg P2O5 /ha (10-30 kg P/ha), ez a kiadási oldal mintegy 80 %-át teszi ki. A növénykultúrák fajlagos foszfor-szükséglete különböző, így a termésekkel évente betakarításra kerülő P mennyiség is jelentősen (a kukoricához képest pl. a szója magas P igényű kultúra).
Felszíni és felszín alatti elfolyás
A TÁPANYAGMÉRLEG KÉSZÍTÉS JELENTŐSÉGE ÉS
ALAPELVEI
A mezőgazdasági területekről származó felszíni és felszín alatti elfolyás hozzájárulhat a környezet foszforterheléséhez. A felmérések szerint az így elkerülő P mennyiségek nem idézik elő a talajok termékenységének mérhető csökkenését, az élővizek tápanyagterhelését azonban növelik. Az átlagos P veszteség legfeljebb 0,25 kg P/ha/ évente a csapadéktól függően. Az összes P veszteség 70-90 %-a szerves vegyület-formákat jelent.
Erózió általi veszteségek
A rövid idő alatti, intenzív csapadék hatására erózió alakulhat ki, ennek során a vízfolyásokba és tavakba szállítódó talaj magával viszi az adszorbeált foszfort, amely az élővizek tápanyagdúsulásának (eutrofizáció) egyik fő előidézője. Az elhordott talajrészecskék ill. az ezáltal fellépő P veszteség mértéke több tényezőtől függ, melyek pontos megállapítása összetett feladat. A vizsgálatok szerint az eróziós talajveszteség a lejtőkön jelentős lehet, 1 tonna talaj eróziójával 0,2-0,8 kg foszfor kerülhet el a területről.
Az erózió elleni védelem a lejtős területeken kiemelkedő fontosságú. Ilyen a Balaton vízgyűjtője, ahol közel 226 000 ha területet veszélyeztet az erózió, és az évenkénti talajveszteség közel 4 millió tonna. Az eróziónak kitett területek nagyságában hazánkban Somogy megye áll az első helyen, mintegy 320 ezer ha területtel.
A foszfor lekötődése (fixáció)
Az amorf Fe- és Al-oxidok foszfor-fixációja többszöröse az egyéb talajalkotók foszfor-fixációs képességének.
Kísérletek eredményei azt igazolták, hogy az agyagtartalom növekedésével a talajok P megkötőképessége fokozódik. Az 1:1 típusú agyagásványokon a megkötődés mértéke nagyobb, mint a 2:1 típusúaknál.
Kimosódás
A foszfor kimosódása sokkal ritkábban fordul elő, mint a mozgékony ionok esetében. A laza szerkezetű, kolloidokban szegény talajokon azonban előfordulhat a kimosódás általi foszfor-veszteség. Ilyen talajokon az őszi kijuttatás helyett tavasszal célszerű a műtrágyát adni, a kimosódás elkerülése érdekében.
A káliumforgalom és a kálium mérleg
A talajok káliumtartalma jelentős, 0,2 – 3,3 % között változik természetes körülmények közt is (szikes talajokon gyakran eléri a 6 %-ot is, a láptalajok K tartalma azonban csupán 0,05 % K körüli mennyiség). A K mobilis, reakcióképes alkáli fém (K+). A felvehető (AL-oldható) mennyiség a talajban általában 50-500 mg/kg K2O között változik.
Általánosságban az a tapasztalat, hogy a talaj kicserélhető kálium mennyiségének 1 mg/kg-al történő növeléséhez kb. 50 kg/ha K kijuttatására van szükség, ez azonban a talaj káliummegkötő (fixációs) képességétől függően eltérő lehet.
Az agyagásványok mállása során K válik szabaddá, a mállás folyamatát a nedvesedés és kiszáradás okozta duzzadás és zsugorodás, valamint a hőmérsékletváltozás segíti elő. A talajokban a K az alábbi négy formában fordul elő:
• a talajoldatban ionos (K+) formában,
• a talajkolloidokon adszorbeálva ionos formában (K+) mint kicserélhető K,
• az agyagásványok rétegrácsai közt fixált K,
• az agyagásványok kristályrácsában strukturális K.
A növények számára csak az első két forma közvetlenül hozzáférhető. Ez nagyon csekély mennyiséget jelent, mivel az összes K-nak csak 1-2 %-a kicserélhető kálium és a talajoldatban levő K mennyisége a kicserélhető formának ugyancsak 1-2 %-a.
A K felvehetőségét befolyásoló tényezők: kémiai mállás, hidrolízis (agyagásvány átalakulása), kicserélhető, mállás). A talajban található K formák között egyensúly alakul ki.
A talajok K mérlege
A TÁPANYAGMÉRLEG KÉSZÍTÉS JELENTŐSÉGE ÉS
ALAPELVEI Bevételi oldal (INPUT)
Természetes források
A talajokban jelentős mennyiségű kálium szabadulhat fel az ásványok mállása során.
A málláskor fellépő káliumvesztéssel az agyagásványok fokozatosan átalakulnak: a csillámokból illitek, montmorillonitok, további K felszabadulással vermikulitok és szmektitek képződnek.
A mállás egyrészt fizikai (nedvesedés és kiszáradás, fagyás és olvadás) másrészt kémiai folyamatok során megy végbe. A mállás folyamata tehát kálium felszabadulást, másrészt viszont kálium-fixáló ásványok képződését jelenti.
A folyamat azonban megfordítható: megfelelő mennyiségű K kijuttatásával reverzibilissé válik az átalakulás.
Kiadási oldal (OUTPUT)
Terméssel betakarított K mennyiségek
Mivel a termések kálium-igénye jelentős, a talajból évente elkerülő kálium mennyiségek magasak: 60-360 kg K2O/ha (50-300 kg K/ha) között változnak. A tervezett termés szintjétől függően a kálium pótlásának biztosítania kell a növekvő szükségletet.
Fixáció
A K fixációja a kálium-ionok irreverzibilis megkötődését jelenti a 2:1 típusú agyagásványok rétegrácsai között.
A fixációt befolyásolja az agyagásványok mennyisége és minősége, a csapadékviszonyoktól függő nedvesedésük és kiszáradásuk hatására bekövetkező duzzadás és zsugorodás, valamint a hőmérsékletváltozás (a fagyás és olvadás). Amikor a K ion a rétegrácsok közé beépül, a rétegek szorosan záródnak, és az agyagásvány elveszíti duzzadóképességét, így a kálium nem kicserélhető (fixált). A K fixáció legnagyobb mértékű azoknál a talajoknál, melyek nagy illit tartalommal rendelkező 2:1 típusú agyagásványokat tartalmaznak. Mivel az ammónium ionok átmérője hasonló a K ionéhoz, az agyagásványok általi ammónium fixáció előfordulhat. A nagyobb méretű ionok, mint pl. a Ca, nem tudnak bejutni a rétegrácsok közé.
Szántóföldi tartamkísérletek eredményei bizonyították, hogy a K fixációja azokon a talajokon a legnagyobb, ahol több éven keresztül nem volt K visszapótlás. Ezeken a talajokon a K-hatás csak nagyadagú műtrágyázással érhető el (melioratív adag).
Kimosódás
A kolloidszegény, laza homoktalajokon jelentős mértékű lehet a kimosódás általi kálium-veszteség. A kötöttebb agyagos talajoknál a kimosódás nagyon csekély, évente mintegy 1,6 kg K/ha. Kísérleti körülmények között azonban 40 mm csapadék 141 kg K/ha veszteséget is képes volt eredményezni, ami a kijuttatott K műtrágyának több, mint 90 %-át jelentette.